CZT

1 研究背景及意义 ................................................................................................................1

1.1 研究背景 .................................................................................................................1

1.2 研究意义 .................................................................................................................5

2 国内外研究现状 ................................................................................................................6

研究背景及意义

在X 射线和射线的能谱和成像探测研究领域，为了得到高探测效率和成像

分辨率的探测器，对于许多探测器进行了实验研究。从无机闪烁体NaI 与PMT 或

Si-PD 组合，到Si、Ge 探测器，但是他们都有不同的缺点和局限，Si 探测器只能

在低能区应用；Ge 探测器必须工作在77 K 的温度，NaI 探测器在低温-196 度下工

作而且价格昂贵，这些探测器均具有一些无法忽视的缺点。

在以空间物理和医学成像为主要发展动力的前提条件下，半导体探测器的应

用已不只局限于简单的X 射线和射线的鉴别和测定或计数，它作为替换Ge、NaI

等下一代新型辐射探测器，有着广泛的应用，长远的发展前景和巨大的经济潜力。

在国防方面，核材料的监测、定位、鉴别和控制是必须的，长期以来迫切需要可

室温操作，能量分辨率优于闪烁探测器，体积小、重量轻，用于现场监测的便携

式γ谱仪，CZT 是最佳的候选探测介质。CZT 晶体是近年来发展起来的一种室温

半导体探测器新材料，不仅具有高电阻率、温度系数小，不会潮解，易于与前端

电子学结合等优势，并且具有较高的灵敏度、探测效率和能量分辨率，弥补了上

述无机闪烁体和Si、Ge 等探测器的不足。

用碲锌镉材料制作的半导体探测器是国际上最新研究出来的一种新型射线探

测器, 具有较大的吸收系数、较高的计数率、体积小、使用方便, 且能在室温下工

作, 它还具有很高的探测效率。

Hyunki Kim 等人的研究表明，较于NaI(TI)探测器的低能量分辨率，HPGe 探

测器的低温限制（90 K-100 K 下使用，固态氮温度）以及CdTe 的极化效应和较大

漏电流，CZT 材料具有一些独特的特性使它能够用作室温核辐射探测器材料，如

禁带宽度大，易于控制热生电流，平均原子序数大，对射线的阻止本领强；机械

强度好，方便器件的制作；电阻率高,制成的探测器在外加高的偏压下仍能保持低

因此降低了探测器的噪声

。CZT 材料所具特征和应用价值如表1 所示。

1 CZT材料特征及应用价值

序号 材料特性 应用价值

1

禁带宽度大于1.5ev，且带宽随Zn 原

子的加入而增减

可在室温工作，不依靠低温制冷提高性能

2

平均原子序数约为50，与伽玛射线的

作用更强 效应

探测晶体厚度小，可克服电场和电流边缘

3

直接带隙跃迁，反应时间短，光量子

效率高 更高

探测灵敏度高，像素面积小，空间分辨率

4

无极化效应，电场作用不随时间变化，

能带结构稳定 路

稳定性号，有利于简化信号采集和处理电

5

电子迁移率高，电子寿命长，电子漂

移和扩散长度较长 率高，能量分辨率高

电子输运性能号，电荷采集率高，探测效

6

电阻率可达，室温下热激发载漏电流小，本底噪声小，功耗小，更适合

流子浓度低 便携化要求

7

随着Zn 原子的加入，机械性能和化学

稳定性改善

加工性能好，环境适应性强

现今大部分世界著名的研究所、大学和核技术应用公司、医疗器械公司都在

开展CZT化合物半导体探测器的研究工作。长期的研究和大量的人力、物力、和财

力的投入，使得其理论研究和技术储备已趋于成熟，开始向市场化转化。

基于CZT 探测器的X 射线和γ射线能谱探测和成像探测技术是原子核科学、

空间科学、材料科学和生物医学科学领域的关键技术，在核能利用、辐射防护、

安全检测等方面都有重要应用。

与早期的传统平面电极CZT 核辐射探测器相比，具有单极敏感特性的面元像

素阵列CZT 探测器具有更高的探测效率和能量分辨率。通过对射线作用深度信息

的探测，面元像素阵列CZT 可以制备成多用途、宽能谱、被动式三维位置敏感的

辐射成像探测器，在核辐射探测成像和核安全监测以及无损探伤和核医学成像领

域有着重要的应用价值。被动式便携式核安全检测是国防安全的重要方面，迫切

需要高性能的辐射探测技术，而CZT 面元像素阵列探测器正是近年兴起的面向应

用需求的核探测技术之一。

尤为引起注意的是，近年来，国际恐怖主义活动频繁，对世界和平和稳定构

成严重威胁。9.11 事件后，反恐斗争形势严峻。核与核辐射恐怖活动是恐怖主义

的重要方式之一。基于CZT 核探测器的便携式γ谱仪快速、灵活、方便的进行核

素鉴别对于反恐斗争具有重要的意义，在野战化验，贫铀弹片检测，放射性清除

等军事领域有着广泛的应用。同时在地质填图、油气勘查。矿产分析、建材检测、

国内外研究现状

CZT 面元像素阵列核探测技术的研究是一门新兴的核辐射探测科学，涉及到

诸多学科的交叉和诸多的相关研究问题。例如，辐射体的针孔成像探测、根据射

线强度函数进行图像反演的问题；同时也涉及到光学、核物理、核电子学以及数

学物理问题；又如，探测器件的物理设计和制作，涉及到半导体物理、微电子学

和半导体工艺技术。

国内针对CZT 面元像素阵列探测器的研究及制备尚处于起步阶段，还处在

CZT 晶体处理和简单平面电极制作的水平以及简单电极结构探测器的谱获取。

大部分相关研究工作都是基于国外公司的成品，尚无利用CZT 面元像素阵列探测

器进行成像分析的研究，也不包括晶体制备、脉冲信号扫描读出、数字信号采集

及分析、相关模拟测试等完整探测技术测试系统的研究成果，还未触及更深层次

的作为辐射探测器的CZT 晶体性能和物理机制的研究，距离更复杂的电极结构，

如pixel 像素的共平面栅极和相应的高集成度、快速数字化信号处理的电子学系统

还有一定的距离。对其进行研究的机构主要有上海技术物理研究所、上海大学电

子信息材料系、西北工业大学和四川大学材料系。上海技术物理研究所生长的CZT

晶体主要作为HgCdTe 红外探测器衬底材料，上海大学电子信息材料系和四川大学

材料系都报道过使用改进垂直布里奇曼法生长出高阻Cd0.8Zn0.2Te 晶体。上海大

学电子信息材料系生长出的晶体制作成MSM 型探测器, 经北京原子能研究院检测

已获得初步的响应。中国科学院上海应用物理研究所研制了MSM 型CZT 探测器，

在250 V 偏压下获得2.06 keV 的能量分辨率；天津大学对CZT 便携式探测器的设

计进行了探索，400 V 偏压下等效输入噪声为2.6 keV。在成功建立CZT 的晶体处

理工艺和探测器制作的基础上清华大学与同方威视公司用美国Yinne 公司的CZT

晶体制作了一个4×4 面阵像素的CZT 探测器，对662 keV 伽玛射线的能量分辨率

最高达到1.4%。中国科学院高能物理研究所选择美国eV 公司生产的CZT 象素探

测器和挪威Ideas 公司开发的电子学和数字采集系统成功研制了32×32 象素的空间

硬X 射线编码孔成像望远镜实验样机。

国外相关研究机构对CZT 面元像素阵列探测器已有较成熟的研究成果。法国

原子能委员会下属的电子技术与设备实验室（LETI，CEA），于2003 年研制出1920

像素医学成像探测CZT 面元阵列原型系统，有120 个探测平台，每个探测平台为

具有16 pixels 的单元CZT 像素器件，实验中已能得到空间分辨率较高的图像，计

2D 核医学PET 及SPECT 成像系统。美国圣地亚实验室2002 年

研发的两种半导体集成 CZT 伽玛射线探测器，用于在海关、机场检测走私核材料、

隐藏放射源。德国BSI 公司研制的 4×4 阵列CZT 像素阵列探测器，用于特定辐

射体的伽玛射线成像（按客户要求定制），目前只有原型样品。近年，各国对CZT

像素阵列探测器的研究逐渐倾向于通过分别探测并收集cathode（阴极）及anode

（阳极）信号，采用BP 算法提高探测器能谱分辨率；或对比相关信号得到射线作

用深度信息，进而研究3D 位置敏感CZT 像素阵列核辐射探测器。密西根大学已

通过bi-parametric 方法将探测器能谱分辨率提高到0.51%。